HOTOL aeroespacial británico

Representación de un artista de HOTOL

HOTOL, para despegue y aterrizaje horizontales, fue un diseño británico de la década de 1980 para un avión espacial de etapa única a órbita (SSTO) que iba a ser propulsado por un motor a reacción que respira aire. El desarrollo estaba a cargo de un consorcio liderado por Rolls-Royce y British Aerospace (BAe).

Diseñado como un vehículo de lanzamiento alado reutilizable de una sola etapa a órbita (SSTO), HOTOL iba a estar equipado con un motor de respiración de aire único, el RB545 o Swallow, que estaba siendo desarrollado por el fabricante de motores británico Rolls-Royce.. El propulsor del motor técnicamente consistía en una combinación de hidrógeno líquido/oxígeno líquido; sin embargo, iba a emplear un nuevo medio para reducir drásticamente la cantidad de oxidante necesario para llevar a bordo mediante la utilización de oxígeno atmosférico a medida que la nave espacial ascendía a través de la atmósfera inferior. Dado que el oxidante normalmente representa la mayor parte del peso de despegue de un cohete, HOTOL debía ser considerablemente más pequeño que los diseños normales de cohetes puros, aproximadamente del tamaño de un avión comercial de medio recorrido como el McDonnell Douglas DC-9/MD-80.

Mientras se llevaba a cabo el estudio de diseño de prueba de concepto de HOTOL, tanto la industria como el gobierno británico intentaron establecer una cooperación internacional para desarrollar, producir y desplegar la nave espacial. A pesar del interés estadounidense en el programa, había poco interés entre los miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA), y el gobierno británico no estaba preparado para apartarse de la cooperación de la ESA. Además, se encontraron problemas técnicos y hubo alegaciones de que las comparaciones con sistemas de lanzamiento alternativos, como un vehículo cohete convencional que usa técnicas de construcción similares, no mostraron mucha ventaja para HOTOL. En 1989 finalizó la financiación del proyecto. La terminación del trabajo de desarrollo en HOTOL condujo a la formación de Reaction Engines Limited (REL) para desarrollar y producir Skylon, una nave espacial propuesta basada en tecnologías HOTOL, incluido su motor de respiración de aire.

Desarrollo

Orígenes

Las ideas detrás de HOTOL se originaron a partir del trabajo realizado por el ingeniero británico Alan Bond en el campo de los motores a reacción preenfriados. Bond había realizado específicamente esta investigación con la intención de producir un motor viable para impulsar un sistema de lanzamiento espacial. En 1982, British Aerospace (BAe), que era el principal constructor de satélites de Europa, comenzó a estudiar un posible nuevo sistema de lanzamiento con el objetivo de proporcionar costos de lanzamiento que representaban el 20 por ciento del transbordador espacial estadounidense operado por la NASA. BAe se dio cuenta del trabajo del fabricante de motores británico Rolls-Royce en un motor adecuado, y pronto concibió un avión espacial alado de una sola etapa a la órbita (SSTO) no tripulado y totalmente reutilizable como vehículo de lanzamiento.

Por lo tanto, el proyecto pronto se convirtió en una empresa conjunta entre BAe y Rolls-Royce, dirigida por John Scott-Scott y el Dr. Bob Parkinson. Al principio, existía la ambición de 'europeizar' el proyecto e involucrar a otras naciones en su desarrollo y fabricación, ya que se reconoció que se necesitaría un estimado de £ 4 mil millones para financiar el desarrollo a gran escala. En agosto de 1984, BAe presentó una exhibición pública del proyecto de lanzamiento de satélites HOTOL y dio a conocer detalles sobre las operaciones propuestas.

En diciembre de 1984, un memorando del Departamento de Comercio e Industria (DTI) señaló que Alemania Occidental estaba interesada en el programa, mientras que Francia había adoptado una actitud crítica hacia HOTOL, que el ministerio consideraba potencialmente debido a que se consideraba un competidor de proyectos dirigidos por franceses. Según el Ministro de Comercio e Industria, Geoffrey Pattie, la presión diplomática francesa para reunir apoyo para su propio vehículo espacial Hermes propuesto había generado inadvertidamente apoyo e interés entre los miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA) en el proyecto HOTOL. A pesar de este clima de interés tentativo y posible apoyo europeo, hubo una actitud general de reticencia dentro del gobierno británico para tomar la iniciativa en un nuevo lanzador espacial.

Estudio de diseño e interés americano

En marzo de 1985, hubo afirmaciones de que Rolls-Royce estaba en el proceso de llevar a cabo negociaciones de licencia para la tecnología de motores HOTOL con la empresa estadounidense de propulsión Rocketdyne. En abril de 1985, Pattie le escribió al secretario de Estado de Defensa, Michael Heseltine, para proponer un estudio de prueba de concepto de £ 3 millones de dos años bajo un acuerdo de asociación público-privada, que consiste en £ 1 millón proporcionado por el gobierno del Reino Unido y el resto siendo financiado por Rolls-Royce y BAe. Pattie razonó que el proyecto serviría a la capacidad estratégica de Gran Bretaña y que las pruebas de tecnologías clave podrían fomentar la colaboración internacional. Según la publicación aeroespacial Flight International, el apoyo del Ministerio de Defensa (MoD) fue fundamental ya que el diseño del motor de HOTOL había sido clasificado.

En julio de 1985, el director técnico de Rolls-Royce, Gordon Lewis, declaró que la empresa buscaba la participación del grupo de propulsión del Royal Aircraft Establishment (RAE) y que Rolls-Royce no estaba preparada para invertir sus propios fondos en el desarrollo de motores para HOTOL. Para la segunda mitad de 1985, se había comenzado a trabajar en el estudio del concepto de prueba de dos años. Al principio, hubo una presión considerable para demostrar la viabilidad y credibilidad del proyecto antes de que la ESA tomara las decisiones finales sobre el Hermes y lo que se convertiría en el sistema de lanzamiento Ariane 5, por lo que el trabajo se concentró en la validación de tecnologías críticas. involucrado.

En noviembre de 1985, las discusiones de DTI y RAE señalaron que Rolls-Royce buscaba datos estadounidenses sobre tecnología estatorreactor para respaldar su trabajo en el motor, al que se refirió con el nombre Swallow. Según se informa, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos estaba interesada en la tecnología utilizada en el motor Swallow para sus propios fines. En noviembre de 1985, las conversaciones entre la primera ministra Margaret Thatcher, el ministro sin cartera David Young y el asesor científico del presidente estadounidense Ronald Reagan, George Keyworth, señalaron el interés estadounidense en colaborar en el desarrollo de vehículos hipersónicos como HOTOL, y que un prototipo podría estar volando como a principios de 1990.

Según los archivos del gobierno británico, ni BAe ni el Ministerio de Defensa estaban entusiasmados con las perspectivas de participación estadounidense en el programa, y expresaron su desgana debido a la creencia de que el resultado de tal movimiento podría resultar en que el Reino Unido se convierta en un miembro menor en un proyecto que alguna vez lideró. También existía la creencia de que si Gran Bretaña elegía asociarse con Estados Unidos, se quedaría sin trabajo en futuros lanzadores europeos. Sin embargo, Rolls-Royce consideró necesaria la cooperación transatlántica. El jefe de negocios futuros de BAe, Peter Conchie, afirmó que, si es posible, HOTOL debería convertirse en parte del marco espacial europeo. A principios de 1986, el gobierno británico aprobó formalmente el estudio de dos años.

Problemas y críticas

En diciembre de 1984, el consultor de gestión de proyectos David Andrews publicó una crítica de ocho páginas del programa, señalando que el diseño estaba optimizado para el ascenso mientras se exponía a cargas térmicas prolongadas durante el descenso debido a un bajo nivel de resistencia. También afirmó que el vehículo no ofrecía ninguna capacidad que no estuviera ya disponible; BAe respondió que las críticas formuladas habían sido respondidas. En abril de 1985, el subcontralor del departamento de investigación y desarrollo del Ministerio de Defensa, James Barnes, afirmó que HOTOL carecía de justificación y que no había ningún requisito de defensa para tales vehículos. También señaló que los "problemas de ingeniería son considerables" y que era poco probable que entrara en servicio hasta la década de 2020; Barnes también observó que el motor HOTOL era "ingenioso".

En noviembre de 1985, la RAE emitió una evaluación de la propuesta de estudio de HOTOL; la organización creía que HOTOL tardaría hasta 20 años en desarrollarse, en lugar del calendario de 12 años previsto por la industria. La RAE también proyectó que el proyecto tendría un costo total estimado de £ 5 mil millones (a partir de su valor en 1985), £ 750 millones de los cuales serían necesarios en una fase de definición de seis años y un estimado de £ 25 millones en un pre -Definición del estudio de viabilidad.

Durante el desarrollo, se descubrió que el motor trasero comparativamente pesado movía el centro de masa del vehículo hacia atrás. Esto significaba que el vehículo tenía que diseñarse para empujar el centro de arrastre lo más atrás posible para garantizar la estabilidad durante todo el régimen de vuelo. El rediseño del vehículo para hacer esto requirió una gran cantidad de sistemas hidráulicos, lo que costó una proporción significativa de la carga útil y no dejó clara la economía. En particular, algunos de los análisis parecían indicar que una tecnología similar aplicada a un enfoque de cohete puro daría aproximadamente el mismo rendimiento a menor costo.

Apagar

Para 1989, las perspectivas de HOTOL se habían vuelto sombrías; desde el inicio del proyecto, el apoyo entre el gobierno británico y los socios industriales había sido desigual, mientras que Estados Unidos había emergido como la única nación extranjera que mostró voluntad de contribuir al programa, en parte debido al secretismo que lo rodeaba. Había pocas perspectivas de participación europea, ya que la ESA había elegido continuar con el desarrollo de lo que se convertiría en el Ariane 5, un sistema de lanzamiento espacial convencional. Rolls-Royce se retiró del proyecto, considerando que era poco probable que el mercado final para el motor fuera lo suficientemente grande como para pagar los costos de desarrollo. El gobierno británico se negó a ofrecer más fondos para HOTOL. El proyecto estaba casi al final de su fase de diseño, mientras que gran parte de los planes permanecían en un estado especulativo; Según los informes, la nave todavía estaba plagada de problemas aerodinámicos y desventajas operativas en este punto.

Sucesores

Un rediseño más económico, Interim HOTOL o HOTOL 2, que iba a ser lanzado desde la parte trasera de un avión de transporte Antonov An-225 modificado, específicamente fue promovido por BAe En 1991; sin embargo, esta propuesta también fue rechazada. El diseño de Interim HOTOL debía haber prescindido de un ciclo de motor de respiración de aire y fue diseñado para utilizar una mezcla más convencional de LOX e hidrógeno líquido como combustible.

En 1989, el cocreador de HOTOL, Alan Bond, y los ingenieros John Scott-Scott y Richard Varvill formaron Reaction Engines Limited (REL), que desde entonces ha estado trabajando en un nuevo motor de respiración de aire, SABRE, que utilizó diseños alternativos para evitar (y mejorar) las patentes de Rolls-Royce y el vehículo Skylon destinado a resolver los problemas de HOTOL. Publicaron por primera vez estos conceptos de motor y nave espacial en 1993, y desde entonces han estado desarrollando las tecnologías principales, en particular el motor y su preenfriador controlado por escarcha; Inicialmente con el apoyo de fondos privados, pero últimamente con el apoyo de la Agencia Espacial Europea, el Centro Espacial Nacional Británico, la Agencia Espacial del Reino Unido, BAe y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. A partir de 2017, REL planea demostrar un preenfriador listo para volar que funciona en condiciones de vuelo simuladas en 2018 y probar estáticamente un núcleo de motor de demostración en 2020.

Diseño

Resumen

HOTOL se concibió como un avión espacial alado de etapa única a órbita (SSTO) no tripulado y totalmente reutilizable. La nave no tripulada estaba destinada a poner en órbita una carga útil de alrededor de 7 a 8 toneladas, a 300 km de altitud. Estaba destinado a despegar de una pista, montado en la parte trasera de un gran carro propulsado por cohetes que ayudaría a que la nave alcanzara la "velocidad de trabajo". El motor estaba destinado a cambiar de propulsión a chorro a propulsión de cohete pura a una altura de 26 a 32 km, momento en el que la nave estaría viajando a Mach 5 a 7. Después de alcanzar la órbita terrestre baja (LEO), HOTOL estaba destinado a volver a entrar la atmósfera y planear hacia abajo para aterrizar en una pista convencional (aprox. 1.500 metros mínimo). Solo se habría transportado una sola carga útil a la vez, ya que BAe consideró que esto era más económico, ya que eliminaba cualquier necesidad de interfaz satelital y permitía que las misiones se adaptaran a los requisitos individuales.

Durante su fase de gran altitud, su sistema de control de vuelo habría estado vinculado a estaciones terrestres y al sistema de navegación global basado en el espacio, mientras que el radar se habría utilizado durante las fases de despegue y aterrizaje. Además de la colocación de satélites en órbita geosincrónica o LOE, también se proyectó que HOTOL podría realizar la recuperación de satélites y hardware de LOE. El material promocional de BAe muestra el acoplamiento de HOTOL con la Estación Espacial Internacional (ISS), una hazaña que, según la compañía, habría requerido una operación tripulada ya que los sistemas automatizados no eran capaces de realizar tales maniobras de acoplamiento en ese momento. HOTOL fue diseñado para realizar vuelos no tripulados totalmente automatizados; sin embargo, se había previsto en una etapa posterior potencialmente reintroducir un piloto. Las operaciones tripuladas habrían requerido la instalación de un módulo presurizado dedicado dentro de la bahía de carga útil.

Como se diseñó, HOTOL habría tenido 62 metros de largo, 12,8 metros de alto, un fuselaje de 5,7 metros de diámetro y una envergadura de 19,7 metros. Presentaba un diseño de ala que se había derivado del del Concorde; su gran área resultó en una carga alar relativamente baja, lo que habría resultado en temperaturas de reentrada más bajas (nunca superando los 1400 °C). Construido con materiales compuestos de carbono, no habría sido necesario el uso de placas aislantes similares a las que componían el sistema de protección térmica del transbordador espacial. El tren de aterrizaje almacenado internamente habría sido demasiado pequeño para soportar el peso del cohete completamente lleno de combustible, por lo que los aterrizajes de emergencia habrían requerido que se descargara el combustible.

Motor

El RB545, que recibió el nombre de "Swallow" por su fabricante, el fabricante de motores británico Rolls-Royce, era un motor de cohete que respiraba aire. Habría funcionado como una central eléctrica integrada de doble función, habiendo sido capaz de respirar aire mientras operaba dentro de la atmósfera y operaba de manera similar a la de un cohete cuando se acercaba y estaba dentro de LEO. Este motor también habría sido capaz de impulsar la nave espacial a velocidades hipersónicas. Fue un elemento crucial del programa, ya que se le atribuyó públicamente como "el corazón de los costos de lanzamiento muy bajos de Hotol".

Los detalles exactos de este motor estaban cubiertos por la Ley de Secretos Oficiales del Reino Unido; en consecuencia, existe relativamente poca información pública sobre su desarrollo y funcionamiento. Sin embargo, el material se desclasificó más tarde cuando cambió la política del gobierno para evitar el mantenimiento de patentes secretas sin una justificación atribuida.

Dentro de la atmósfera, el aire se toma a través de dos rampas de entrada montadas verticalmente, luego el flujo se dividiría, pasando la cantidad correcta a los preenfriadores y el exceso a los conductos de derrame. El hidrógeno de los tanques de combustible pasaría a través de dos intercambiadores de calor para preenfriar el aire antes de ingresar a un ciclo de motor similar a un turborreactor de alta relación de presión general: el hidrógeno calentado impulsa una turbina para comprimir y alimentar el aire enfriado en el motor del cohete., donde se quemó con parte del hidrógeno utilizado para enfriar el aire. La mayor parte del hidrógeno caliente restante se liberó de la parte trasera del motor, con una pequeña cantidad extraída para recalentar el aire en los conductos de derrame en una disposición ramjet para producir "arrastre de momento de admisión negativo." Estos estatorreactores se representaban típicamente como dos círculos rojos brillantes debajo de los motores de los cohetes en las imágenes de HOTOL.

Para evitar que los preenfriadores se congelen, el primer preenfriador enfrió el aire a unos 10 grados por encima del punto de congelación para licuar el vapor de agua en el aire. Luego, se habría inyectado oxígeno líquido (LOX) en el flujo de aire para bajar la temperatura a -50 °C (-58 °F) congelando rápidamente el agua en cristales de hielo microscópicos, lo suficientemente fríos como para que no se derritieran debido a la cinética. calentamiento si golpean los segundos elementos del preenfriador. Se podría haber agregado una trampa de agua después del primer preenfriador si las condiciones de operación resultaran en un exceso de humedad.

Cuando ya no fuera posible usar la atmósfera para la combustión, el RB545 cambiaría a usar LOX a bordo para quemar con el hidrógeno como un cohete de hidrógeno/oxígeno de alta eficiencia.